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Anordnung zur Vergrößerung der Sendefläche von Ultraschallsendern
Die Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren zur Vergrößerung der Sendefläche von
Ultraschallsendern.
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Es ist bereits bekanntgeworden, die Flächen von Ultraschallsendern
zu vergrößern, indem ein konusähnlicher Körper dein Schallstrahler vorgeschaltet
wird. Außerdem ist bekannt, Schallstrahler in Hohlspiegel einzubauen, so daß durch
eine entsprechende Strahlendivergenz ebenfalls eine Vergrößerung der Strahlerfläche
erzielt wird.
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Die zuerst genannte Anordnung hat den Nachteil, daß zu einer Ausdehnung
der Strahlerfläche auf ein vorgegebenes Maß unter Umständen ein verhältnismäßig
langer Konus gehört, was mit einer entsprechenden Schallabsorption im Material verbunden
ist. Ferner neigen derartige Körper bekanntlich infolge ihrer Form zu Transversal-
und Seitenschwingungen, so daß der Austritt einer ebenen. Schallwelle nicht mehr
gewährleistet ist.
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Bei Verwendung eines Hohlspiegels ist es sehr schwer, eine gleichmäßig
abstrahlende Fläche zu erhalten, da die Mitte durch den Ultraschallerzeuger selbst
stets abgedeckt wird.. Würde man die Anordnung so treffen, daß man den Ultraschallerzeuger,
z. B. den Quarz, zweiseitig strahlen läßt, so würde zwar die Mitte auch ausgeleuchtet,
es wäre aber sehr schwierig, Phasengleichheit über die gesamte Strahlungsfläche
zu erzielen.
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Die Erfindung vermeidet diese Nachteile in einfacher Weise dadurch,
daß vor der a.bstrablenden Sendefläche eine Schallinse derart angeordnet ist, daß
auf Grund von Schallbrechung bei Eintritt in
die Schallinse eine
Zerstreuung, beim Austritt eine Bündelung der Schallstrahlung eintritt.
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Die durch die Erfindung erzielte fortschrittliche Wirkung besteht
demnach darin, daß in einfacher Weise eine vergrößerte Senderfläche erreicht wird
bei gleichmäßiger und phasenrichtiger Verteilung über die gesamte erfindungsgemäß
vergrößerte Oberfläche.
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In der Zeichnung ist eine Ausführungsform :der Erfindung dargestellt.
Die Erfindung ist auf diese Ausführungsform nicht beschränkt. Es sind nur die zum
Verständnis des Erfindungsgedankens erforderlichen Einzelheiten gezeigt.
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Mit r ist der Quarz oder das iQuarzmosaik bezeichnet, das auf der
Rückseite metallisiert gegen die in die Elektrode 2 eingelassene Korkscheibe 3 anliegt.
Der besseren Stromzuführung wegen kann die Korkscheibe an der der Quarzfläche zugekehrten
Seite ebenfalls metallisiert sein. Die Rückelektrode 2 wird durch einen federnd.
andrückenden Zentrierstift 4 an den. Quarz angedrückt. Der Kabelanschluß 5 ist mit
dem Zentrierstift 4 leitend verbunden. Die Abstrahlung der Schallenergie findet
nach rechts hin in eine möglichst kavitationsarme Kopplungsflüssigkeit (t51 oder
insbesondere Quecksilber) statt, die durch die Einfüllöffnung 6 in den Raum zwischen.
Quarz r und Schallinse 7 eingebracht wird. Bei Verwendung von Quecksilber als Kopplungsflüssigkeit
erübrigt sich eine vorderseitige Metallisierung des Quarzes.
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Der Schall tritt aus der Kopplungsflüssigkeit in die eigentl'Iche
Schallinse 7 über. Diese ist an der Innenseite konvex gekrümmt, so daß infolge Brechung
zwischen Flüssigkeit und Linsenmaterial beim Eintritt in die Linse, wie, in der
Figur ersichtlich, eine Ausbreitung des Strahlenganges eintritt. Die zweite Seite
der Linse ist, dem entsprechenden Verwendungszweck Rechnung tragend, so gekrümmt,
daß eine wunschgemäße Bündelung eintritt.
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Als Material für die Linse kommen alle Substanzen in Frage, deren.
Wellenwiderstand demjenigen möglichst ähnlich ist, der das Medium besitzt, in das
hinein die Schallstrahlung erfolgen soll. Es kommen hierfür z. B. in Frage Aluminium,
Aluminium-Magnesium-Legierungen u. a. m., außerdem alle neuartigen Kunststoffe,
Kunstharze, Bakelite, bernsteinähnliche Substanzen usw. Bei den letztgenannten Stoffen
ergibt sich für die Linse eine nach außen gekrümmte Wölbung: Die Linse kann dann
so ausgebildet sein, daß sie nach Art der in der Optik bekannten
Schichten, wobei ihr Schallwellenwiderstand gleich dem geometrischen Mittel der
angrenzenden Schallwellenwiderstände ist, ausgebildet ist. Dieses Vorgehen ist besonders
von Bedeutung, wenn Quecksilber als Innenflüssigkeit verwendet wird. Durch eine
entprechend günstige Wahl der Linsenmittel läßt ich so die Energieabstrahlung entweder
über die ganze Fläche sehr gleichmäßig oder in gewünschtem Verhältnis auf Mitte
und Rand verteilen., was sowohl zur Ultraschalldurchstrahlung für Materialuntersuchung
wie für die Abstrahlung -im freien Wasser in bezug auf die Richtcharakteristik von
Interesse ist.
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Durch die neue Anordnung gelingt es, in beliebiger Weise einen Sender
zu vergrößern, ohne daß sehr kostspielige Anordnungen entstehen. Es ist bekannt,
daß man durch große abstrahlende Flächen besonders gute Richtcharakteristiken erhält.
Dieses Problem mußte bisher durch Anordnung zahlreicher Einzelsender oder aber entsprechend
kostspielige, sehr große Sender gelöst werden. In der neuen Anordnung gelingt es,
nicht nur eine beliebig große Sendefläche zu erzielen, sondern außerdem noch. durch
die vorderseitige Krümmung der Schallinse, die ganz beliebig gewählt werden kann,
jede gewünschte Richtcharakteristik vom divergenten Strahlengang zum parallelen
bis zum konvergenten Strahlengang zu ürzielen. Außerdem wird diese Wirkung nicht
durch verhältnismäßig lange und in ihrer Form für eine akustische Schwingung unglücklich
arbeitende Konusse erzielt, die außerdem eine starke Absorption aufweisen, sondern:
durch einen dünnen- Körper mit geringer Absorption und mit einer Ausdehnung, die
im Durchmesser groß gegen seine Dicke ist, sich also für Dickenschwingungen in bevorzugtem
Maße eignet. Die Anordnung gibt außerdem dem schwingenden System r die Möglichkeit,
auf Grund der vorgelagerten Flüssigkeit und geringen Dämpfung sich zu großen Amplituden
aufzuschwingen und somit eine hohe Intensität abzustrahlen, was bei vorgesetztem
festen Konus z. B. nicht möglich Wäre, da hier das Sendesystem direkt an den festen
Körper angekittet werden muß, was mit einer starken Dämpfung und einer Verminderung
der Schwingungsweite verbunden ist.